特种陶瓷材料虽然具有优异的绝缘(大部分陶瓷)、耐高温、抗腐蚀性能及耐磨性能，但其脆性大，加工性能很差难以制备出大型或者是形状复杂的结构件。金属材料具有优良的室温强度、韧性、导电性和导热性，与陶瓷材料在性能上形成了一种明显的互补关系。使用连接技术将两种材料可靠的结合起来，就可以充分利用各自的优良性能，制造出满足要求的复杂构件。

贴片式陶瓷气体放电三极管-- 电源保护、信号保护等

一、陶瓷与金属连接的特点与难点

但由于陶瓷材料与金属材料化学键结构根本不同，加上陶瓷本身特殊的物理化学性能，因此无论是与金属连接还是陶瓷自身的连接都存在不少的难题。

其主要体现在如下两个问题，其一：陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，金属材料则主要是由金属键构成，二者几乎不浸润，因此需要考虑陶瓷与金属材料的润湿性问题，其二：两者的线膨胀系数一般相差较大，当采用热封或者机械连接时，陶瓷与金属的接头处会有较大的应力残留，削弱接头的力学性能甚至使接头受到破坏开裂，因此需考虑结头处的热应力缓解问题。

二、陶瓷与金属的连接方法

随着陶瓷材料的发展，人们也不断的探索可靠的陶瓷与金属的连接方法来提高先进陶瓷材料的应用范围，下文将为大家简单介绍一些的陶瓷与金属的连接技术。

1、钎焊加工

钎焊就是用熔点低于被焊材料的金属或非晶材料做钎料，加热到低于被焊件母材熔点，高于钎料熔点温度，利用融化的钎料来润湿母材、填充焊缝，实现被焊材料相互连接。

在陶瓷与金属的钎焊连接中，钎料的在陶瓷上良好的润湿性是实现有效连接的前提。根据润湿性的不同，陶瓷与金属的钎焊可分为两类：一类是先对陶瓷表面进行预金属化处理，再用钎料连接，称为间接焊接。常见的陶瓷材料表面金属化的处理方法有电镀法、烧结金属粉末法，活性金属法和气相沉积法等。

陶瓷与钢板钎焊接头装备图

另一类是直接采用含有活性金属元素的钎料，活性元素与陶瓷表面反应，来增加陶瓷与金属的润湿性，从而达到焊接目的，称为直接（活性）钎焊。目前常用的钎焊活性金属主要是过渡族元素，因其最外层电子未被填满，活性高。将活性金属加入到常用的Cu基，Ag基，Ni基和Au基等钎料中就可以制成活性钎料。

此外，Zr、Hf、V、Ti、Cr、W等也可以作为活性金属连接元素，但这些元素的熔点相对较高，与陶瓷材料的化学反应性差，主要用于非金属氧化物陶瓷的连接。

不锈钢与氧化铝陶瓷钎焊件

2、固相扩散连接

固相扩散连接是目前研究较多的耐高温陶瓷/金属连接方式，其工作原理是：两个同种或异种材质在高温及一定压力下紧密接触，表面发生塑性变形，原子间实现相互扩散，形成良好的接头。

该工艺的优点是接头处质量稳定，连接强度高，可焊接较大截面的接头，一次可焊多个接头，效率较高，可增加中间层，对陶瓷材料无需表面金属化。但该法工艺过程复杂，可满足高温和耐蚀条件下的应用要求。对连接表面状态和连接设备要求高。

铝合金与氧化铝陶瓷真空扩散焊复合板

3、过渡液相扩散连接

为了降低连接温度并获得耐高温接头，过渡液相扩散连接成为了陶瓷/金属连接的重要方法，使用过渡液相扩散连接可以克服钎焊的高温强度不佳和扩散焊构件易变形的缺点。

该法使用不均匀多层中间层，通过连接层B的熔化或者A/B界面反应在连接区形成局部液相合金，在连接区形成局部液态合金，再通过其与陶瓷的界面反应以及中间核心金属之间长时间的扩散，使液相区等温凝固和固相成分均匀化。

4、反应成形连接

反应成形连接方法是从SiC陶瓷成型技术中发展出来的，目前在连接SiC陶瓷有着广泛的应用。其优点是克服了活性钎焊和固相扩散焊接时，陶瓷与金属热应力大问题。

连接SiC陶瓷工艺示例：先将含碳的化合物放置在接头连接处，用卡具将工件卡紧，并在115℃温度下，干燥15min，将两个工件粘和在一起。将做成片状、膏状或悬浮液状Si或含Si合金放到接头区域，加热到1300℃左右范围内，保温10-15min，Si或Si合金与碳反应形成SiC及其他含量可控的Si和其他相，接头的厚度可以通过调整含碳量及夹紧力来控制。

我国自主研制出直径4.03米的单体碳化硅反射镜坯

图片来源新华网

备注：现代大型光学望远镜系统均采用反射式结构，最核心的部件是反射镜，且反射镜的口径越大，望远镜的分辨本领和聚光能力越强。碳化硅是国内外所研究的空间光学遥感仪器中的光学主反射镜体材料的首选材料。随着航天遥感工程的飞速发展，对主反射镜体的尺寸有了更高的要求，但就目前而言任何工艺制备更大尺寸的SiC陶瓷镜体都是非常困难的，采用合适的连接工艺，才能实现更大尺寸的SiC陶瓷镜体的制备。

5、自蔓延高温合成连接

自蔓延高温合成也称燃烧合成技术、爆炸合成技术，就是利用中间层自身放热的化学反应来推动反应的进行，最终依靠反应生成的产物来将陶瓷和金属连接在一起。自蔓延高温合成连接法，设备、工艺简单，可实现陶瓷与金属的原位连接。而且中间层可加入第二相粒子、晶须等增强相，来增强连接的强度。

自蔓延高温合成可用于制备陶瓷内衬耐磨金属输送管道

6、激光钎焊

采用高能束激光焊的方法，可快速加热和冷却，配以氮气筛的冷却和温度场调节，诱导改善复合材料材料增强相机基体界面反应，在合适的工艺条件下可获得良好强度的接头。

示例：用该法焊接的Al₂O₃陶瓷试样，激光焊接区细晶粒均匀，在电子显微镜下，可以看到晶粒呈片瓦结构，防止了裂纹的产生及扩展，经过100次的反复加热和冷却后，试样的弯曲强度无明显下降。

激光钎焊是PCD刀具常见连接方法之一

7、粘结剂连接

借助胶粘剂在固体表面所产生的粘合力，将同种或不同种材料牢固地连接在一起。该法工艺简单，可用于飞机应急修理、炮弹导弹辅助件连接、修复涡轮、修复压缩机转子等方面。陶瓷与金属采用胶接连接，界面作用为物理力、化学键。采用有机胶的接头强度小于100MPa，采用无机胶连接强度小于10MPa。

粘接技术用在修复上，其周期短，工艺简单，修复效率高，成型性能好，但允许的使用温度低，一般低于200℃，且大多用于静载荷和超低静载荷零件。所以，用粘接技术连接陶瓷与金属在动力工程和航空工业中应慎用。

金属粘接陶瓷用AB胶示例

8、机械连接

陶瓷和金属的机械连接法主要有栓接和热套，栓接指用螺栓进行连接，方法简单，接头具有可拆性，但需要在陶瓷上钻孔，加工难度大，且接头缺乏气密性；热套是利用陶瓷与金属间的热胀差异大而获得具有气密性接头的方法，但接头会产生很大的残余应力，且为保证有效的气密性连接工件温度不能过高。

热套方法可用于汽车火花塞的生产

参考资料

1、陶瓷与金属的连接方法；钢铁研究总院；肖杰，张贞贞，沈伟，张瑞勇，任卫。

2、陶瓷与金属连接技术的研究进展；河南科技大学；王新阳，李炎，魏世衷，马向东。

3、氧化铝陶瓷与金属连接的研究现状；李卓然，樊建新，冯吉才；哈工大现代焊接生产技术国家重点研究室。

粉体圈 作者：小白